(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、太陽光や風力などの環境負荷の少ない自然エネルギーを水電解装置に供給して、陽極で生成する酸素を低酸素状態の水質改善に役立たせると共に、陰極で発生する水素をエネルギー源として無駄なく回収することにある。【解決手段】  本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、水上に配設したバージと、水中に配設した、陽極と陰極とを有する電界槽と、前記バージ上に配設した、前記電界槽に電力を供給する電源と、前記バージ上に配設した、水素貯蔵タンクと、前記水素貯蔵タンクの底部に連結して、前記電界槽の陰極上方に配設した水素捕集管と、を備え、前記電界槽の陽極と陰極間で水を電気分解する。本発明の低酸素水質の改善装置は、深層部または底層部に配置した電解槽へ水面上から直流電力を供給して水電解し、陽極で酸素を、陰極で水素ガスを発生させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水上に配設したバージと、
水中に配設した、陽極と陰極とを有する電解槽と、
前記電解槽に電力を供給する電源と、
前記バージ上に配設した、水素貯蔵タンクと、
前記水素貯蔵タンクの底部に連結して、前記電解槽の陰極上方に配設した水素捕集管と、
を備え、
前記電解槽の陽極と陰極間で水を電気分解する、
水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項２】
前記電解槽の陰極に比べて陽極の表面積を大きくしたことを特徴とする、請求項１に記載の水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項３】
前記電解槽は、前記陰極の上方を覆って水素捕集傘を備えた、請求項１または請求項２に記載の水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項４】
前記電解槽の陽極を網状に形成し、前記陰極の周囲を覆って前記水素捕集傘に取り付けた、請求項３に記載の水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項５】
前記電解槽の陰極を前記水素導入管の下端部に連結した、請求項１乃至請求項４に記載の水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項６】
前記電解槽を、水面より１０ｍ以上の深層水中に配設した、請求項１乃至請求項５に記載の水素回収型電解式水質改善装置。
【請求項７】
深層水中に設置した電解槽に水面上から電力を供給して水を電気分解して陽極で生成する酸素を水中に溶存させると同時に、陰極で生成する水素ガスを水上で回収することを特徴とする水素回収型電解式水質改善方法。
【請求項８】
前記水を電気分解は、イオン交換樹脂膜法で行なう請求項７に記載の水素回収型電解式水質改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は湖沼、河川、海洋などの水質を改善する方法および装置に係り、詳しくは酸素を供給することにより溶存酸素を増加させて水環境の改善を図ると共に、電力源として自然エネルギーを利用しながら同時に水素エネルギーを回収する水質改善方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、河川や湖沼などの淡水域では流入する汚濁物質が増加して水中溶存酸素濃度が低下し、生物の棲めない低酸素状態が生じている。家庭や事業所、農地、市街地、森林などから流入する汚濁物質や直接湖沼上に降り注ぐ降雨などが環境負荷を高めている。また、港湾などの閉鎖系海水域でも汚泥や堆積物の影響を受けて海底付近が低酸素状態となりやすい。
【０００３】
溶存酸素が低下した水質を改善する従来の試みとしては、空気を強制的に供給するエアレーションが一般的であり、また深層部と表層部の水をポンプで強制置換させる水流循環方法も行われている。しかし、溶存酸素が低下する深層部または水底の状態は水に近い比重の汚泥に覆われており、従来のように空気や水を循環する手法では堆積汚泥を巻き上げて二次的な汚濁拡大を引き起こす事態も生まれた。
【０００４】
更に、改善を実施すべき場所には湖沼や港湾などの電源の無いケースが多く、遠隔距離のケーブルを架線・埋設するか、或いは自家発電機などの電源設備を設置して運転管理する必要があった。
【０００５】
このように従来の水質改善方法は、消費電力や維持管理費用が大きい割に改善効果が乏しかった。
【０００６】
一方、水質改善の目的とは異なり、地球環境保全や負荷軽減、温暖化防止の観点から、太陽光や風力、水力、波力、潮力、温度差などから得られる自然エネルギーを水電解装置で一旦水素エネルギーに変換し、これを燃料電池に供給して電力に変換したり、直接、電気自動車を走行させたりする試みなどが提案されている。
【０００７】
例えば、特許文献１は太陽電池とコンバータを用いて水電解する装置を、特許文献２は風力を利用して高分子電解質型水電解装置によって電力を得る方法を、特許文献３は種々の自然エネルギーから電気分解で得た水素を水素自動車へ供給するシステムをそれぞれ開示している。
【特許文献１】特開平７−２３３４９３号公報
【特許文献２】特開平１１−２２８１０１号公報
【特許文献３】特開平１０−２９９５７６号公報
【特許文献４】特開平９−２９１３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、太陽光や風力などの環境負荷の少ない自然エネルギーを水電解装置に供給して、陽極で生成する酸素を低酸素状態の水質改善に役立たせると共に、陰極で発生する水素をエネルギー源として無駄なく回収することにあり、上記二つの目的を達成することは何れも環境負荷の軽減につながる。
【０００９】
本発明の別の目的は、低酸素状態の発生場所に装置を設置して水電解する方法と装置を提供することにある。酸素溶解に好都合な低温高水圧下の深層中で電解するに際し、陽極表面積を陰極より大きくして電流密度を下げ、酸素ガスを極力気泡として発生させずに速やかに溶存酸素に転換させることを可能ならしめ、一方、陰極で発生する水素は高圧状態を保ちながら大気圧下の水面上まで捕集と輸送を行う。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、水上に配設したバージと、水中に配設した、陽極と陰極とを有する電解槽と、前記バージ上に配設した、前記電解槽に電力を供給する電源と、前記バージ上に配設した、水素貯蔵タンクと、前記水素貯蔵タンクの底部に連結して、前記電解槽の陰極上方に配設した水素捕集管と、を備え、前記電解槽の陽極と陰極間で水を電気分解する。本発明の低酸素水質の改善装置は、深層部または底層部に配置した電解槽へ水面上から直流電力を供給して水電解し、陽極で酸素を、陰極で水素ガスを発生させる。
【００１１】
陰極で発生した水素を高圧状態で回収する手段としては、水面上に設けた水素貯蔵用の気液分離タンクと水中の電解槽との間を、配管や可塑性チューブ等の水素捕集管で連結し水面上で捕集する方法がある。棒・円筒・平板状などの陰極の上部で水素気泡を捕集し、水面上につながる水素捕集管を通じてタンクまで導入移動させる。上記タンクを電解槽と同じ深層部に設置すれば、タンクの耐圧や安全面では有利であるが、高水圧下でのバルブ制御や保守管理はかなり煩雑となる。
【００１２】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、前記電解槽の陰極に比べて陽極の表面積を大きくしたことを特徴とする。即ち本発明の水電解装置は、陽極表面積を陰極表面積より大きくすることで極力酸素ガスを発生させないことを特徴とする。電流密度の比較的高い陰極では水素ガスは泡状となって上部に浮上する。一方、表面積の大きい陽極では、生成酸素は溶存酸素として水中に拡散されるが、電極表面あるいは電極近傍に蓄積された酸素分子は広い電極表面に小さな気泡となって付着する。
【００１３】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、前記電解槽は、前記陰極の上方を覆って水素捕集傘を備えてもよい。
【００１４】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、前記電解槽の陽極を、前記陰極の周囲を金属ワイヤ等で網状に囲むように前記水素捕集傘と一体成形してもよく、または、前記水素捕集傘に取り付けてもよい。
【００１５】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、前記電解槽の陰極を前記水素導入管の下端部に連結してもよい。
【００１６】
本発明の水素回収型電解式水質改善装置は、前記電解槽を、水面より１０ｍ以上の深層水中に配設するのが好ましい。深層部の環境は高水圧と低水温状態にあるため、溶解量は常温常圧下での電解よりもヘンリー則に従って増大される。また、陽極近傍の水が低速流動の状態で陽極酸化が行われるので通常の酸素ガス曝気よりも過飽和に溶存できる。さらに、琵琶湖などの大きな湖沼の湖底付近に存在する自然の振動流などを利用すれば溶存酸素の拡散に都合がよい。
【００１７】
本発明の水素回収型電解式水質改善方法は、深層水中に設置した電解槽に水面上から電力を供給して水を電気分解して陽極で生成する酸素を水中に溶存させると同時に、陰極で生成する水素ガスを水上で回収することを特徴とする。
【００１８】
本発明の水素回収型電解式水質改善方法は、前記水の電気分解は、イオン交換樹脂膜法で行なってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水質改善方法および装置を用いれば、湖沼や港湾などの深層中で発生して問題となっている低酸素状態の改善が可能であり、底層の堆積汚泥を巻き上げることなく改善に必要な酸素を効率良く溶存できる。深層部の低酸素状態を改善すれば底生生物の多様性とそれらの食物連鎖が維持されて水質富栄養化が防止され、赤潮やアオコなどの発生も抑制できて飲料水としての水質保全に役立つ。また、底生生物の多様性は魚介類の生息や増殖にも必要であり漁業資源の確保・増大の効果も合わせ持つ。
【００２０】
本発明の電解槽に供給する電力としては、太陽光以外にも風力、水力、波力、潮力、温度差などの自然エネルギー発電との組み合わせや、商用電源が取れない自然環境下でも使用可能な分散型発電システムとの組み合わせが可能である。本発明によれば、環境負荷の少ない自然エネルギーを利用することによって水質改善と同時に工業的に有用な高純度水素が得られる。水電解で得られる水素には一酸化炭素が含まれないので燃料電池への利用に最適である。
【００２１】
本発明による電解槽を深層中に設置して自然エネルギーからの電力を供給して、低溶存酸素中に存在する水を直接電解することによって深層中の水質を改善しながら、エネルギーを無駄なく再生することができる水素回収型水電解式水質改善方法および装置の利用価値は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明の実施形態を、図1を用いて詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明による水素回収を可能にした水素回収型電解式水質改善装置の一例を示す概略断面図である。主要な機能を有する構造物としては、電解槽１、水素捕集管２、水素貯蔵タンク３、太陽光パネル４、バージ（平底船）５から成っている。
【００２４】
本実施形態において、電解槽１は陽極６と陰極７、および水素捕集傘８からなり、該水素捕集傘８の上部は、気液導入口９を下部に備えた水素捕集管２によって水面上の水素貯蔵タンク３に連結されている。水素貯蔵タンク３は水素ガス１０の圧力保持と気液分離の両機能を兼ね備えた耐圧容器であり、下部には水還流バルブ１１を備えた水出口１２と、上部には水素放出バルブ１３を備えた水素出口１４が取り付けられる。
【００２５】
図１で示される水電解式水質改善装置の固定方法は、陰極７、水素捕集管２、水素貯蔵タンク３が垂直方向に一体化されて水面上のバージ５に固定され、該バージ５は係留索１５とアンカー１６で任意の場所に固定されている。これとは別に、電解槽１の下方へ突出する形に陰極７と結合された固定部材１７は底層地盤１８の深くに固定される。図１は両者の併用を示すが深度や環境に応じてどちらか一方を採用してもよいし、バージ５に替えて橋梁や観測基地、堤防、岸壁などの構造物を利用してもよい。
【００２６】
本発明の電解槽１に使用する陽極６、陰極７、水素捕集傘８などは円柱、円筒または円錐状であれば容易に配置構成できる。しかし、水素が捕集できる形状であれば平板電極を水平に配置することも可能であり、本発明は電極形状や電解槽の配置方法を詳細に限定するものではない。
【００２７】
次に各部材に関して述べる。陽極６の材質としては炭素繊維板やフェライト、ステンレスなどの安価な電極材が候補に上げられるが、寿命・導電性・電極耐食性などが十分とは言えない。特に重金属が環境に溶出する恐れのあるステンレスなどは陽極に使用できない。通常、白金やタンタルなどの貴金属をメッキしたチタン材が用いられる。チタンに陽極電位をかけると酸化チタン皮膜が形成して不働態化するので、白金メッキなどで導電性を付与した不溶解性電極が適当である。チタン電極を網状やエキスパンド状にすれば湖底の湖水流の妨げもなく酸素拡散が促進される。また、白金は塩素過電圧が高く水中に塩素イオンが存在しても酸化されないので、生態系に有毒な遊離塩素を発生させる恐れもなく安全な酸素だけが生成する。
【００２８】
陰極７の材質は安価な鋼材やステンレスが普通だが、水素過電圧を下げて消費電力を削減する目的で、スズを表面処理したニッケル（ラネーニッケル）が使用できる。陽極と同じく貴金属メッキの不溶解性チタン電極でもよい。通常、淡水を長期間の電解するとアルカリ土類金属（Ca、Mgなど）の水酸化物が陰極表面に付着して通電を妨げるが、防止策として陽陰極を短時間転極させて陰極を回復させる公知の手段を採用する場合には両極とも不溶解性電極を用いる。
【００２９】
本実施形態において水素捕集傘８は水素捕集管２に固定されており、傘の下部に設ける陽極６の支持固定を兼ねている。水素捕集傘８には非導電性のプラスチックを使用できるが高強度の金属材料を使用するなら、陽極６と陽極７との絶縁が必要となる。また、水素捕集管２の材質としてチタン・ステンレス・鋼材などの金属を使用すると、陰極への給電導体を兼ねるので好都合である。長い部材が必要な深層中電解において安価なプラスチックパイプやチューブを使用するなら陰極用の導線（図示せず）が別途必要となる。
【００３０】
次に、水素ガスの捕集方法について説明すると、陰極７は導電性の水素捕集管２の下部で機械的電気的に連結されており、陰極で発生する水素気泡１９は水素捕集傘８の上部に集められ、水を伴って気液導入口９を通って浮上していく。水相２０と水素ガス相２１の混合状態を形成しながらガス浮力を駆動力にして両相は水素貯蔵タンク３へと上昇して行く。該タンクの水出口１２と水素出口１４が閉じられた状態ではタンクの内圧は、およそ電解槽１が設置された個所での深層水圧に近い圧力まで高めることが可能である。
【００３１】
ただし、タンク内圧と深層部が同じ圧力になると圧力差の駆動力が無くなるから、気液混合相２０、２１は水素捕集管２を速やかに上昇できない。実際には各バルブ１１、１３を開閉しつつ水素貯蔵タンク３の液面を一定に保ちながら、タンク３内の圧力を深層部圧力より少し下げて電解すると気液混合相２０、２１を安定に移動できる。このように高水圧下で水電解すれば高圧の水素が安定して得られるし、昇圧ポンプがなくても遠くに水素を輸送できる利点がある。
【００３２】
上記の気液混合状態を形成する条件は、ガス発生量（電流量）や水素捕集管２の内径、高低差、気液分離速度など多くの要因を加味して装置の規模に応じて実験的に決定される。このような気液リフトアップ現象の原理や利用方法については、上記特許文献４などでも述べられている。
【００３３】
電力を供給する装置として、バージ５の上面および内部には太陽光発電システムが設置される。このシステムは太陽光パネル４と入出力マッチングを行う電力制御システム２２から構成される。発電と水電解を効率良く行い夜間でも運転を可能にするためのＤＣ−ＤＣコンバータや蓄電池などが制御システムに組み込まれる。太陽電池で得られた電力は、陽極６につながる陽極導線２３と、金属製水素捕集管２を通じて陰極７につながる陰極導線２４の間に、電力制御システムを通して直流電圧が印加される。電力源として太陽光パネル４を図示したが種々の自然エネルギーが利用できる。
【００３４】
水電解の作動原理の一例を図３に示す。陰極でOH− イオンが生成して陽極で酸素ができる。図３は操業時における電流密度と電位のモデルを示す。電流密度ゼロにおける陽陰極電位の差、すなわち水の標準理論分解電圧は常温では1.23Vであるが、実際に電流を通じるとそれぞれに過電圧が加算される。両極に流れる電流は当然同じであるが電極表面積を変えると電流密度が変わる。本発明による図３の作動方法は陰極の電流密度を高くし（下直線の右寄り）陽極の電流密度を小さくする（上直線の左寄り）ことが特徴である。
【００３５】
次に本発明の別の実施形態を、図２を用いて説明する。
【００３６】
本第２の実施形態においても本発明の主眼、すなわち、高水圧環境に電解槽を設置することに変わりはないが、上記実施形態と異なる点は水電解の作動原理、および、電解槽１の構造にある。電解槽１以外の構造物は図１と同じなので説明を省く。
【００３７】
図２で示される電解槽１は平板状の各部材が緊密に圧迫された積層構造となっている。すなわち、イオン交換樹脂膜２５の裏表両側に陽極給電体６ａと陰極給電体７ａを介して陽極６と陰極７が形成され、これらによってイオン交換樹脂膜２５を圧接せしめた構造となっている。
【００３８】
陽極給電体６ａと陰極給電体７ａに用いる材料が有すべき機能は、導電性、多孔性、弾力性、電極耐食性、経済性などがあり、一般的には白金メッキしたチタンの網やエキスパンドメタルを複数枚積層させて弾力性を持たせた給電体を実用できる。また、繊維状、粒子状のチタンを焼結したものや繊維状カーボン、あるいはこれらの複合材料も利用できる。このような機能材料を活用することによって、各部を弾力的に圧着して導通を保ちながら水の供給とガスの放出を同時に行うことが可能となる。
【００３９】
陽極６と陰極７は電極耐食性の金属板であり全面もしくは一部に細孔が開けられる。これら両電極材には白金メッキチタン製の不溶解性電極が使用できるが、陰極７ではステンレスや低炭素鋼を使用しても問題ない。
【００４０】
図２の電解槽１はイオン交換樹脂膜２５を使用しているので、一般的には純水を原料水として供給する。イオン交換樹脂の官能基にCa２＋やMg２＋（水中溶存不純物）が吸着蓄積されると電気抵抗が増大して電解できなくなる。湖沼水などの淡水をイオン交換法で精製してから原料水とする手段として、図２に、陽極６の背面（右側）に細孔を有する陽極室壁２６を設けて、その空間にイオン交換樹脂粒子２７を充填する方法を示した。
【００４１】
もちろん、電解槽１とは個別に設置した純水製造装置（図示せず）から陽極室に純水を直接供給することも可能であり、そうすればイオン交換樹脂粒子２７の組み込みは不要となる。電解槽１を深層下に設置することが重要であり、純水の供給手段には種々の方法が適用できる。
【００４２】
図２において、陽極６の向きは自然水流に対向させてあるので、自然水は陽極室壁２６の細孔とイオン交換樹脂粒子２７の層を浸透して脱イオン化によって純水となる。この原料水は、陽極６の細孔と陽極給電体６ａの中をも通過して電極反応サイトであるイオン交換樹脂膜２５の表面に到達する。ここで水が電解されて酸素ガスと水素イオンが生成される。陽極給電体６ａの近傍では細かい発生期の酸素ガスが気液接触表面積を大きくさせた状態で水と混在しており、効率よく水に溶解して過飽和状態の溶存酸素に変化する。
【００４３】
陽極付近で溶存できなかった過剰酸素は、水が供給されるのとは逆の方向に向かって陽極給電体６ａと陽極６、およびイオン交換樹脂粒子２７、陽極室壁２６を気泡状で通過する。この時、さらなる水との気液接触によって溶解された溶存酸素は矢印に示すように電解槽１の系外に放出される。高濃度の溶存酸素を含んだ水は自然水流と合わさって下流に拡散される。
【００４４】
一方の陰極反応であるが、イオン交換樹脂膜２５の陽極側で生成した水素イオンは陰極側に移動して陰極給電体との接触サイトで水素ガスとなり、陰極給電体７ａと陰極７を通過して電極背面から気泡１９となって水素捕集管２を上昇していく。
【００４５】
イオン交換膜式水電解で起きる電極副反応について言えば、膜内を移動する水素イオンは電解電流に比例した量の結合水和水を伴って対極へ移動し、陰極側で水素ガスになると同時に水和水が浸出される。従って、陰極７の背面から陰極室２８へ放出されるのは気泡１９だけでなく水和水を伴う。深層下に設置する陰極室２８に任意の耐圧性を持たせ、バルブ１１、１３を閉じて水素貯蔵タンク３を密閉状態で運転すれば、タンク内圧は深層水圧に加算された分だけ容易に昇圧できる。
【００４６】
上述のように、本実施形態においては、上記実施形態と異なり水電解方法としてイオン交換樹脂膜法を用いるが、その電極反応を図４で示す。上記実施形態においては、陰極前面（極間）の水が電解されるが（図３の場合）、本実施形態においては陽極背面から供給される水が電解される（図４の場合）。また、上記実施形態では生成されるOH− イオンが水中を陽極へ移動するのに対して、本実施形態においては生成されるＨ＋ イオンが膜中を陰極に向かって移動する。このように電解反応にあずかるイオン種が異なるため原料水をどのように供給すべきかに工夫を要するが、何れの実施形態においても水を電解することに変わりはなく、標準理論分解電圧は常温では同じ1.23Vである。
【００４７】
なお、前実施形態の図１で述べたごとく、酸素の溶存を促進するために陽陰極の電流密度を変える手法を図２に適用するためには、イオン交換樹脂膜２５の片側のみ全面を多孔性金属でメッキした接合体電極と呼ばれる材料が活用できる。イオン交換樹脂膜２５の陽極側全面が反応に関与するのに対して、陰極側表面は無垢なので陰極給電体が接した表面積（多孔率で決まる）だけが反応面となり、両極の電流密度バランスを変えることが可能となる。また、図1でも述べたのと同様に、図２に示すごとく電極配置は縦方向だけでなく水平配置も可能なことは容易に想像できる。ただし、電解槽周辺に水路などを設けて水流が出入りしやすい構造にすることで、深層部で発生させた溶存酸素を速やかに拡散させることが重要である。
【００４８】
上記２つの実施形態間の大きな相違点は陽陰極間の材料・構造に起因する。第１の実施形態を表す図１においては、両電極の間に酸素と水素のガスが生成するため電気抵抗が大きくなり電力ロスを生じる。しかし、部品点数が少ないので安価な装置で目的が達成できる。
【００４９】
２番目の別の実施形態を表す図２においては、電極間にフリーの水は存在せず陽極背面から水が消費されて酸素を生成し、同様に水素も陰極の背面から放出される。図２のタイプの装置は、高価なイオン交換樹脂膜やその他の部材を必要とするが電流密度を大きくできるので電解槽はコンパクトであり電力ロスは少ない。
【００５０】
以上、本発明の水素回収型電解式水質改善方法および装置について説明したが、本発明は上記実施形態及び以下に説明する実施例に限定されるものではない。何れの電解槽を採用するにしても、これら実施例等によって電解条件を詳細に限定するものではなく、水質改善すべき環境や規模に応じて複数個の電解槽が種々の電解電流で使用できる。本発明の最大の特徴は、電解槽を深層下に配置して水電解することにより、酸素を溶存させつつ水質を改善しながら同時に発生水素を巧みに回収して有効エネルギーとして活用することである。
【００５１】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【００５２】
以下、上記実施形態において説明した、本発明の水素回収型電解式水質改善方法および装置を用いた実施例について説明する。
【実施例１】
【００５３】
本発明の実施例として、琵琶湖北湖深度90ｍより深い湖水（容積  約1億ｍ3）の低酸素状態を回復させる場合を想定する。100ｍ×100ｍの太陽光パネルを使用すればエネルギー収支・規模および水質改善効果はおよそ次のように試算できる。
【００５４】
年平均日射量をエネルギーで表せば、琵琶湖北湖地方における過去10年間の平均値は3.5kWh/ｍ2/dayであった。太陽光パネルの発電効率は、本来20％位だが汚れを考慮して12％とする。年間当りの利用可能量は1.533×106 kWh/年、送電に伴う電圧降下（約91%）を考慮して実質利用可能量を1.4×106 kWh/年とする。一般的に水電解で生じる酸素の理論生成量は  0.2089×10-3 ｍ3／Ahであり、酸素を電解電圧1.4Vで発生させれば0.15ｍ3／kWｈの酸素が生成する。この太陽光パネルの電力を用いると年間に0.21×106ｍ3の酸素が供給できる。1億ｍ3の水塊にこの酸素を供給すると  2.1ml/L（約3.0mg/L）の酸素が増える。現在の琵琶湖での最低酸素濃度の実測値1.0mg/Lを加算すると、溶存酸素濃度は約4.0mg/Lに回復することになる。
【００５５】
電解槽から回収される水素は年間で0.42×106ｍ3 であり、これは約470台の燃料電池自動車を1年間走行させるエネルギー回収に相当する。
【００５６】
以上は琵琶湖への適用を想定した実用規模の構想であるが、日射量エネルギーや太陽電池のデータ、および電解槽エネルギー計算には基礎実験で確認した数値を用いており、電解装置がスケール拡大によって生じる試算誤差は小さいと考える。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の方法および装置によって、湖沼環境を改善することができる。湖沼の動植物を食物連鎖とする鳥類や哺乳類などの繁殖を阻害しないで、様々な魚貝類の漁獲や養殖を行ったりする漁業や捕獲等の関連業にとっては、湖沼の水質改善は必須とも言える。
また、湖底を水質改善すれば、深水層の生態系を守ることができるだけでなく、水中の窒素やリン成分の増加が抑制できる。これらの増加に起因する藻類の増殖もおさえられるので、湖沼水は清浄に保たれ、飲料水や農業・工業用水などにも有効に利用でき、また、観光資源としても役立つ。
近年、琵琶湖を初めとする比較的水深の深い湖沼において、国内だけでなく世界的な規模で深層湖底の溶存酸素が欠乏する傾向が見られる。その原因としては水質の富栄養化だけでなく、地球温暖化の進行によって冬季の厳寒や降雪量が減って、溶存酸素の多い湖面と欠乏する湖底との対流混合効果が無くなったことが指摘されている。すなわち,本発明は、地球的規模で温暖化の影響を受けている海外の湖沼でも十分利用できるものである。
本発明は、自然エネルギーから水素が回収できるので、エネルギーや自動車産業にも関連するし、直接的には環境保全機器や環境関連産業に利用できる。そして、自然を保護することによって極めて広範囲な産業や地域に大きな影響を及ぼす可能性があると考える。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の水素回収型水電解式水質改善装置の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の水素回収型水電解式水質改善装置の他の実施例を示す概略断面図である。
【図３】本発明を可能ならしめるために陽極の表面積を陰極より大きくして水素発生と酸素の溶存効率を高める手法を説明する原理図である。
【図４】本発明に使用するイオン交換樹脂膜を用いた場合の電解反応を説明する原理図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：電解槽
２：水素捕集管
３：水素貯蔵タンク
４：太陽光パネル
５：バージ
６：陽極
６ａ：陽極給電体
７：陰極
７ａ：陰極給電体
８：水素捕集傘
９：気液導入口
１０：水素ガス
１１：水還流バルブ
１２：水出口
１３：水素放出バルブ
１４：水素出口
１５：係留索
１６：アンカー
１７：固定部材
１８：湖底
１９：水素気泡
２０：水相
２１：水素ガス相
２２：電力制御システム
２３：陽極導線
２４：陰極導線
２５：イオン交換樹脂膜
２６：陽極室壁
２７：イオン交換樹脂粒子
２８：陰極室
５１、５２：水素回収型電解式水質改善装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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